Трехфазная однотактная схема выпрямления тока
advertisement
СКГМИ "ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ" Доц. Кабышев А.М. 2011 Введение «Преобразовательная техника» является одним из базовых специальных курсов для специальности «Промышленная электроника». Цель данного курса состоит в том, чтобы дать студентам достаточно полное представление о преобразователях, их составных элементах, топологии, математических описаниях, основных методах анализа, расчета и рационального выбора элементов, т.е. в создании научно-практической базы для последующего изучения специальных дисциплин и непосредственного применения в дальнейшей практической деятельности. Задачи курса заключаются в освоении теории физических явлений в выпрямительных преобразователях и определении расчетных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя (нагрузки) определить электрические параметры для выбора полупроводниковых приборов, трансформаторов, фильтров, дросселей и других элементов, а также в привитии практических навыков использования методов анализа и расчета электрических параметров для решения широкого круга инженерных задач. В результате изучения курса студент должен знать основные методы анализа и расчета физических процессов в элементах выпрямительных преобразователей различной конфигурации и уметь применять полученные знания на практике. При изучении дисциплины предполагается, что студент имеет соответствующую математическую подготовку в области дифференциального и интегрального исчисления, комплексных чисел и тригонометрических функций, а также знаком с теорией цепей, рассматриваемыми в курсе «Теоретические основы электротехники». Преобразовательная техника - одно из направлений электротехники, занимается разработкой и преобразованием электрической энергии. Преобразователи электрической энергии делятся на преобразователи:переменного напряжения или тока в постоянное напряжение или ток (выпрямители); - преобразователи постоянного напряжения или тока в переменное напряжение или ток (инверторы); - переменного напряжения или тока одной частоты в переменное напряжение или ток другой частоты (преобразователи частоты); - постоянного напряжения или тока одного уровня в постоянное напряжение или ток другого уровня (регуляторы постоянного напряжения); - преобразователи переменного напряжения или тока одного уровня в переменное напряжение или ток другого уровня. Элементная база преобразователей электрической энергии. 1. Полупроводниковые диоды. Диод представляет собой полупроводниковый кристалл с двумя слоями проводимости, образующими p-n переход. ВАХ диода имеет вид . Основные параметры полупроводниковых диодов:- максимально допустимый средний прямой ток; - обратное напряжение. 2. Тиристоры. Тиристор представляет собой управляемый прибор на основе многослойной p-n структуры. Схемное обозначение тиристора имеет вид: Вольт - амперная характеристика тиристора показана на рисунке: Основные параметры: - максимально допустимый средний прямой ток; прямое и обратное напряжение; - управляющий ток и напряжение отпирания; - критическая скорость нарастания прямого тока; - допустимая скорость нарастания прямого напряжения; - время выключения. Разновидностью тиристора является динистор, симистор, фототиристор, двухоперационный тиристор. 3. Транзисторы. Биполярные транзисторы управляются током базы. В преобразовательной технике используется ключевой режим работы транзистора (отсечка, насыщение). Полевые транзисторы управляются напряжением (из цепи управления потребляется маленький ток). IGBT- биполярный транзистор с изолированным затвором. 4. Конденсаторы. Обладают следующим свойством: q=C*U, где q-заряд на пластинах, Семкость конденсатора, U- напряжение. Конденсатор представляет собой частотно зависимый элемент. Если параллельно заряженному конденсатору подключить резистор, то конденсатор будет разряжаться по экспоненцильному закону и за время равное постоянной времени цепи (RC) конденсатор разрядится на 63%. При заряде конденсатор за время RC заряжается на 63%. 5. Индуктивность. Представляет собой частотно зависимый элемент: Xl=WL. 6.Трансформатор. Служит для преобразование напряжения по уровню и для электрического разделения цепей. Основные параметры: - индуктивное сопротивление обмоток; - активное сопротивление обмоток; - коэффициент трансформации. Выпрямители Служат для преобразования переменного напряжения в постоянное. Обобщенная структурная схема выпрямителя имеет вид: Здесь, Тр- трансформатор, ВК-вентильный комплект, Ф-фильтр, Ннагрузка, УС- узел синхронизации, СУ- система управления. В зависимости от числа фаз питающего напряжения различают 1-о и 3-х фазные выпрямители. Выпрямители также бывают однотактными и двухтактными. К двух тактным относятся мостовые схемы. Одно тактные выполняются по нулевой схеме. Выпрямители делятся на простые и составные. Схемы простых выпрямителей: Работа однофазных вентильных схем Однополупериодная схема выпрямления Рассмотрим простейшую схему выпрямления тока. Однополупериодная схема выпрямления (а) и кривые токов и напряжений (б) В промежутке времени (0-01) к вентилю VD подводится положительное напряжение и через вентиль протекает ток прямого направления. Этот промежуток называется проводящим полупериодом, а ток - прямым током (рис.1). В промежутке (01-02) разность потенциалов между анодом и катодом вентиля отрицательна, и через вентиль протекает незначительный ток . Промежуток (01-02) называется непроводящим полупериодом, а ток – обратным током. Обозначим через сопротивление вентиля в проводящем полупериоде, а через – сопротивление вентиля в непроводящем полупериоде. В промежутке (0-01) напряжение вторичной обмотки трансформатора , где - падение напряжения в вентиле; - выпрямленное напряжение на зажимах приемника энергии. В промежутке (01-02) напряжение вторичной обмотки трансформатора , где - обратное напряжение на вентиле. Для большинства типов вентилей обратный ток и падение напряжения незначительны и ими пренебрегают, тогда в проводящем полупериоде , а в непроводящем полупериоде . В любой вентильной схеме выпрямленный ток имеет пульсирующий характер и наряду с постоянной составляющей содержит переменную составляющую . Переменная составляющая представляет сумму высших гармоник выпрямленного тока. Аналогично, выпрямленное напряжение содержит постоянную и переменную составляющие. Для схемы примем следующие обозначения: – мгновенные значения напряжений и токов первичных и вторичных обмоток трансформатора. Мгновенное значение трансформатора фазного напряжения вторичной обмотки (1) где и – действующие значения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора, и – действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора. Кривые выпрямленного тока и напряжения представляют собой полусинусоиды (рис.2), поэтому схема называется однополупериодной. Кривые токов и напряжений Мгновенное значение выпрямленного тока (2) В первом полупериоде (3) ; ; ; . Замечание. При работе выпрямителя на нагрузку и в режиме непрерывного тока при работе на якорную цепь двигателя действительно предложенное выражение для средневыпрямленного напряжения: Средневыпрямленное напряжение преобразователя или постоянная составляющая выпрямленного напряжения – это отношение интеграла по кривой выпрямленного напряжения к периоду повторяемости. (4) откуда (5) Так как обычно трансформации напряжение сетевое задано, коэффициент Постоянная составляющая выпрямленного, или анодного, тока (6) Амплитуда тока через вентиль (7) Амплитуда обратного напряжения (8) По полученным значениям из каталога выбираем соответствующий вентиль с его эксплуатационными параметрами, заданными заводом-изготовителем (фирмой). Сумма первичных и вторичных рабочих намагничивающих сил трансформатора в рассматриваемой схеме отличается от нуля, т.е. имеем магнитно-неуравновешенную систему. Постоянные намагничивающие силы создают постоянный магнитный поток, который может вызвать значительное насыщение магнитной системы, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и, соответственно, расчетной мощности. Во избежание этого нежелательного явления магнитную систему трансформатора рассчитывают с учетом постоянной составляющей потока. Увеличенная расчетная мощность трансформатора и наличие значительных высших гармоник в выпрямленном токе ограничивают широкое распространение рассматриваемой вентильной схемы. Двухполупериодные схемы выпрямления однофазного тока Вентильные схемы с нулевым выводом характеризуются тем, что токи во вторичных обмотках имеют одно направление и поэтому содержат постоянную и переменную составляющие. В зависимости от наличия броневой или стержневой магнитной системы для полной компенсации намагничивающих сил трансформатора обмотки следует располагать поразному. В дальнейшем будем рассматривать однофазную двухполупериодную однотактную схему, при этом подразумевается, что в схемах электромагнитные процессы протекают одинаково, т.е. обе схемы магнитно уравновешены. Двухполупериодная однотактная вентильная схема: а – с броневой магнитной системой; б – со стержневой магнитной системой Вторичная обмотка трансформатора имеет секции и и , сдвинутыми по фазе на 1800. Для напряжений секций и трансформатора имеем с напряжениями , где – действующее значение напряжения одной секции вторичной обмотки трансформатора. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения (9) Действующие значения напряжения через коэффициент схемы ; ; (10) Постоянная составляющая выпрямленного тока , а постоянная составляющая тока через один вентиль (11) Амплитуда тока вентиля (12) Когда вентиль 1 закрыт, на его катод с помощью токопроводящего вентиля 2 подается напряжение . Поэтому обратное напряжение на вентиле , , а его амплитуда (13) Мгновенное значение первичного тока . Так как ток меняется синусоидально, его действующее значение (14) Мощность трансформатора (15) Параметры трансформатора и вентилей несколько изменяются при работе выпрямителя на нагрузку , когда . Действующее значение тока вторичной обмотки . Действующее значение напряжения вторичной обмотки (16) тогда мощность трансформатора (17) Амплитуда анодного тока вентиля . Остальные параметры вентилей такие же, как и при . Кривые токов и напряжений двухполупериодной однотактной вентильной схемы: – кривые токов и напряжений приведены на осях 2,3,4,5,6; - 7,8,9,10 Работа схемы на активную нагрузку при углах управления Пусть в момент времени , т.е. с задержкой на угол относительно перехода напряжения через нуль (точка естественного включения подается управляющий вентиля 1), на управляющий электрод вентиля импульс. Тогда вентиль включится и в нагрузке начнет протекать ток под воздействием напряжения . Начиная с этого же момента, к вентилю будет приложено обратное напряжение , равное разности напряжений двух вторичных полуобмоток. Диаграммы токов и напряжений однофазного выпрямителя при активной нагрузке и угле Вентиль будет находиться в проводящем состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него, не спадет до нуля. Так как нагрузка активная и форма тока, проходящего через нагрузку, повторяет форму напряжения , то вентиль включится в момент . Поскольку через половину периода полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется на противоположную, то при подаче управляющего импульса на вентиль в момент он включится. Затем указанные процессы повторяются в каждом периоде. Угол , называемый углом управления или регулирования, отсчитывают относительно моментов естественного включения вентилей ( ), соответствующих моментам включения неуправляемых вентилей в схеме. Видно, что с увеличением угла среднее значение выходного напряжения будет уменьшаться. Аналитически эта зависимость будет выражаться следующей формулой: (18) Обозначив через найденное по выражению (9) среднее значение выпрямленного напряжения для неуправляемого выпрямителя ( ), получим средне выпрямленное напряжение для активной нагрузки: (19) Кривая 1 на рис.6 находится по выражению (19). Среднее значение выпрямленного тока (20) В соответствии с (19) изменение угла от 0 до приводит к изменению среднего значения выходного напряжения от до нуля. Зависимость среднего значения выходного напряжения от угла управления называется регулировочной характеристикой вентильного преобразователя. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке Заштрихованная область на рис.6 соответствует семейству регулировочных характеристик при различных значениях отношения . Если накопленной в индуктивности энергии окажется достаточно, чтобы обеспечить протекание тока до очередной коммутации вентилей, то будет иметь место режим работы с непрерывным током . При режим непрерывного тока будет существовать при любых углах в диапазоне от 0 до (кривая 2 ). Работа однофазной мостовой схемы выпрямления Неуправляемая схема выпрямления Двухполупериодная мостовая схема Как видно из рис.1 вентили включаются так, что в первом полупериоде ток протекает через вентили 1 и 3, а во втором полупериоде ток протекает через вентили 2 и 4. Форма кривых выпрямленного, фазных и анодных токов зависит от индуктивного сопротивления . Кривые токов и напряжений при приведены на осях 2,3,4,5 и 6 рис.2. Аналогично рассмотренной ранее однотактной схеме имеем , . Амплитуда обратного напряжения . Ток вторичной обмотки трансформатора равен . Поэтому действующие значения токов обеих обмоток равны: , . Мощность первичной и вторичной обмоток, а также типовая мощность трансформатора . Кривые токов и напряжений двухтактной схемы Так как кривые анодных токов представляют полусинусоиды, они содержат постоянные составляющие, первые гармоники и гармоники с четными порядковыми номерами Кривые токов при приведены на осях 7, 8 и 9 рис.2. Действующие значения токов первичной и вторичной обмоток при . Мощность трансформатора . Амплитуда анодного тока вентиля . Работа однофазной мостовой схемы с углом регулирования Диаграммы токов и напряжений на элементах будут такими же, как и для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой. Отличие заключается только в том, что амлитуда обратного напряжения на вентиле в мостовом выпрямителе будет в 2 раза меньше, чем в двухполупериодном нулевом выпрямителе. При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями: Однофазный мостовой выпрямитель При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями: среднее значение выпрямленного напряжения ; максимальное значение обратного напряжения на вентилях ; максимальное значение тока вентиля ; среднее значение тока вентиля ; действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора ; ; . Однофазная мостовая схема, работающая с углом , имеет такие же формы токов и напряжений на ее элементах, как и в однофазном двух полупериодном выпрямителе со средней точкой. Среднее значение выходного напряжения: при активной нагрузке ( кривая 1) , где – среднее значение выпрямленного напряжения на выходе схемы при угле ; при активно-индуктивной нагрузке, когда или имеет такое значение, что выпрямленный ток непрерывен ( кривая 2), . Максимальные значения напряжений на вентилях: при активной нагрузке , ; при активно-индуктивной нагрузке , . Максимальное значение токов вентилей при активной нагрузке . Активно-индуктивная нагрузка с углом открытия больше нуля, Наличие в цепи нагрузки индуктивности существенно изменяет характер электромагнитных процессов в схеме. Так, после начала работы выпрямителя нарастание тока в нагрузке будет происходить постепенно и тем медленнее, чем больше постоянная времени . При наличии индуктивности выпрямленный ток становится более сглаженным и не успевает доходить до нуля в моменты, когда выпрямленное напряжение становится равным нулю. При увеличении индуктивности или частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения пульсации выпрямленного тока уменьшаются, а при значениях , равных 5-10 и более, расчетные соотношения в схеме будут незначительно отличатся от случая, когда или ( ). В этом случае можно считать, что вся переменная составляющая выпрямленного напряжения выделяется на индуктивности , а постоянная – на сопротивлении . Несмотря на то, что управляющие импульсы поступают на вентили с задержкой на угол относительно моментов их естественного включения ( ), длительность протекания тока через каждый вентиль остается равной половине периода напряжения питающей сети. При ток в цепи нагрузки идеально сглажен, а токи вентилей имеют прямоугольную форму, но в отличие от схемы, работающей с углом , прямоугольники токов будут сдвинуты относительно выпрямленного напряжения на угол . Сдвиг тока относительно напряжения на угол приводит к появлению в выпрямленном напряжении отрицательных участков, что вызывает снижение его среднего значения . Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке и ( ) Учитывая, что форма выпрямленного напряжения повторяется в интервале углов от до , среднее значение выпрямленного напряжения можно найти по формуле (1) Согласно (1) среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю при . В этом случае в выпрямленном напряжении площади положительного и отрицательного участков равны между собой и постоянная составляющая отсутствует. Регулировочная характеристика для активно-индуктивной нагрузки показана на рис. кривая 2. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке Если величина такова, что энергии, запасенной в индуктивности на интервале, когда , оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока в течение половины периода, то вентиль, проводящий этот ток, выключится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на другой вентиль, т.е. раньше момента, определяемого углом . Такой режим работы схемы при активноиндуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя при режиме прерывистых токов При одинаковых значениях угла альфа среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током будет больше, чем в режиме с непрерывным током, благодаря уменьшению отрицательного участка в кривой выпрямленного напряжения, но меньше, чем при работе выпрямителя на активную нагрузку. Поэтому в режимах с прерывистым током регулировочные характеристики будут находиться между кривыми 1 и 2 в заштрихованной области, указанной на рис.5. Режим работы схемы, когда ток в вентилях спадает до нуля точно в момент включения очередного вентиля, называется граничным. Очевидно, что чем больше угол альфа, тем больше должна быть индуктивность , чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током . Индуктивность, обеспечивающая при заданных параметрах–схемы граничный режим работы, называют критической. При прерывистом токе и постоянной нагрузке трансформатор, вентили, коллектор работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же значении выпрямленного тока действующее значение токов в элементах схемы увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с широким диапазоном изменения угла , индуктивность обычно выбирают из условия обеспечения непрерывности выпрямленного тока. Граница перехода к непрерывному выпрямленному току зависит от соотношения , характеризующегося углом . Пока , режим непрерывен, а при ток имеет прерывистый характер. В режиме непрерывного тока выпрямленного напряжения постоянная составляющая . Ток вентиля в прерывистом режиме . Из последнего выражения видно, что когда , ток , т.е. на границе перехода от прерывистого к непрерывному режиму угол . Обозначив угол протекания тока через вентиль равным и подставляя в выражение , получим уравнение , дающее зависимость между углами и . Постоянная составляющая выпрямленного напряжения . Постоянная составляющая выпрямленного тока в обоих случаях . Выпрямители с активно-индуктивной нагрузкой Процессы в схемах с углом В однофазной мостовой схеме расчетная мощность трансформатора имеет те же параметры, что и мощность в однофазной двух полупериодной со средней точкой . На изображено синусоидальное напряжение источника и напряжение на нагрузке для случая отпирания управляемых вентилей в момент . Примем индуктивность настолько большой, что ток нагрузки до момента отпирания следующей пары вентилей не успевает пройти через нуль. Когда ток через нуль не проходит, он нарастает от интервала к интервалу и устанавливается в течение ряда периодов. Кривые напряжений Управляемые вентили в выпрямителе действуют как периодические ключи, которые от полупериода к полупериоду переключают напряжение источника. С учетом их действия напряжение на нагрузке в течение n-го полупериода будет равно. (1) Произвольный момент времени может быть определен по соотношению (2) где величина t1 изменяется от нуля до . Очевидно также, что (3) Из сопоставления выражений (2) и (3) вытекает соотношение или . Нетрудно видеть, что для любого целого числа n выполняется условие , следовательно, (4) Дифференциальное уравнение (4) позволяет найти ток нагрузки внутри любого интервала. Общий интеграл уравнения имеет вид (5) где , напряжением нагрузки; , ; - угол сдвига фаз между током и ; – постоянная интегрирования, определяемая из начальных условий. Предположим, что в начале -го интервала ( Из (5) следует, что ) ток был равен . , откуда . В конце этого интервала ток будет равен , т.е. (6) или (7) Это уравнение представляет собой разностное уравнение 1-го порядка. Рассматривая соотношение (7) как рекуррентную формулу, можно вычислить все значения тока . Для упрощения введем следующие обозначения , . Тогда соотношение (7) можно переписать в виде . Откуда при начальном условии получим Последнее выражение прогрессию. Следовательно, представляет собой геометрическую . Подставляя сюда значения и для тока в начале -го интервала: , окончательно получим выражение . Если , то значение тока в начале любого интервала в установившемся режиме (при ) . Представленный разностный метод позволяет получить формулу, определяющую значения тока в любой момент времени для любого интервала в любой схеме выпрямления. Двухполупериодная мостовая вентильная схема с противо-ЭДС Рассмотрим работу схемы для случая, когда приемник энергии имеет противо-ЭДС, а угол управления . Вентильная мостовая схема с противо-ЭДС Кривые токов и напряжений двухтактной схемы При конечном значении моменты включения вентилей зависят от противо-ЭДС . Если , вентили не включаются, ток , а продолжительность прохождения тока через вентиль . С уменьшением угол возрастает, и в пределе, при . В зависимости от угла имеем несколько режимов работы схемы. Кривые токов и напряжений приведены на рис.3. В режиме I угол и выпрямленный ток имеет прерывистый характер. В промежутке (0-01) включены вентили 1 и 3, а в промежутке (02-03) – вентили 2 и 4. Началом координатной системы считаем точку (0) – момент включения вентилей 1 и 3 и рассматриваем период (02=?). Для промежутка (0-01) пишем уравнение (8) где – мгновенное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Уравнение (8) можно представить в виде . Так как в этом промежутке , получим (9) где , – приведенное к вторичной обмотке сопротивление трансформатора. Из этого уравнения выпрямленного тока (9) определяем мгновенное значение (10 ) Постоянная составляющая выпрямленного тока В момент включения вентилей 1 и 3 напряжение вторичной обмотки трансформатора равно противо-ЭДС : , (11 ) В момент выключения вентилей 1 и 3 угол из (10) получим или , а ток , поэтому (12 ) Из уравнений (12) и (11) определяем . В конце режима I угол и при быть таким, чтобы выполнялось условие соотношение должно , где , . Замечание. Часто при расчетах мгновенных значений токов в схемах принимают за начальную величину и из выражений (5-7) находят постоянные интегрирования Такой подход приводит к неверному решению задачи распределения непрерывного тока в первых полупериодах. В этом случае необходимо выполнить расчеты в 5-6 полупериодах напряжения, каждый раз подставляя новое значение начальных условий. Количество расчетных полупериодов заканчивается тогда, когда мгновенное значение тока в начале полупериода будет равно току в конце полупериода. Иногда в качестве начального значения тока берется его среднее значение в схеме с заданными параметрами. В этом случае количество расчетных полупериодов уменьшается. Трехфазная однотактная схема выпрямления тока (трехфазная схема со средней точкой, трехфазная нулевая трехпульсная схема) Схема состоит из трансформатора, трех вентилей и приемника энергии . Для уменьшения высших гармоник выпрямленного тока последовательно с сопротивлением Rd включен реактор с индуктивным сопротивлением ( ) . Обычно первичную обмотку трансформатора соединяют треугольником, а вторичную – звездой или первичную – звездой, а вторичную – зигзагом ( ). Пусть трансформатор соединен по схеме . Трехфазная однотактная вентильная схема В промежутке (0-01) наибольшее положительное значение имеет напряжение первой фазы , поэтому ток протекает только через вентиль 1 ( ), а остальные вентили заперты. Начиная с момента 01 и правее , анод вентиля 2 оказывается под положительным напряжением относительно катода. Если в момент 01 на вентиль 2 поступает отпирающий импульс, он включается, а анодное напряжение вентиля 1 ( ), и этот вентиль выключается. Замечание. Если по какой-нибудь причине вентиль 2 не включится, то вентиль 1 выключится не в точке 01, а позже. Следовательно, причиной выключения вентиля 1 в точке 01 является включение очередного вентиля 2. В промежутке (01-02) ток пропускает вентиль 2. В точке 02 включается вентиль 3 и выключается вентиль 2 и т.д. Каждый вентиль пропускает ток в течение периода, равного 1200( ), поэтому число пульсаций выпрямленного напряжения равно трем. Кривые токов и напряжений при ( ) Когда выключен вентиль 1, к нему на интервале проводимости вентиля 2 приложено линейное напряжение , а на интервале проводимости вентиля 3 – напряжение . Среднее значение выпрямленного напряжения найдем путем интегрирования напряжения на вторичной обмотке трансформатора в интервале повторяемости формы выпрямленного напряжения: (1) где – действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Зная напряжение первичной сети , находим коэффициент трансформации: . Постоянная составляющая выпрямленного тока , а постоянная составляющая тока одного вентиля . Амплитуда анодного тока вентиля (2) Когда вентиль заперт, на его зажимах действует линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора, поэтому амплитуда обратного напряжения . При выпрямленный ток идеально сглажен и кривые фазных токов имеют прямоугольную форму. В этом случае кривые выпрямленного напряжения Ud и обратные напряжения на вентилях остаются такими же, как и при работе на активную нагрузку, а значения токов становятся равными (действующее значение тока вторичной обмотки): (3) Кривые токов при По кривой первичного фазного тока (ось 4) определяем его среднее значение (4) По кривой первичного линейного тока (ось 6) находим его действующее значение (5) Полученные выражения справедливы для любого способа соединения первичной обмотки трансформатора (звездой или треугольником). На приведена трехфазная однотактная вентильная схема, в которой вторичная обмотка трансформатора соединена зигзагом. На каждом стержне магнитной системы, кроме первичной обмотки, расположены две секции вторичной обмотки, в которых протекают токи противоположного направления. Поэтому взаимно компенсируются магнитные силы, соответствующие постоянным составляющим этих токов, а также гармоникам с порядковыми номерами, кратными трем, и схема магнитно уравновешена. Трехфазная вентильная схема «звезда – зигзаг» Пусть угол управления . Отпирающие импульсы приходят на вентили поочередно с задержкой на угол управления относительно моментов прохождения через ноль синусоид линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора. При угле в зависимости от характера нагрузки и значения угла в данной схеме могут иметь место различные режимы работы . Если угол изменяется в диапазоне от 0 до , то как при активноиндуктивной, так и при чисто активной нагрузке выпрямленный ток является непрерывным. Среднее значение выпрямленного напряжения в этой области углов при различном характере нагрузки описывается одним аналитическим выражением: . Диаграммы токов и напряжений при (6) При угле кривая мгновенных значений выпрямленного напряжения доходит в моменты переключения вентилей до нуля. Такой режим работы называется гранично-непрерывным. Дальнейшее увеличение угла при активной нагрузке приводит к прерыванию выпрямленного тока id и появлению в выпрямленном напряжении ud участков с нулевым значением. Интервал проводимости тока вентиля становится меньше . Среднее значение напряжения в этом случае выражается следующим образом (кривая 1 на рис.7): (7) Диаграммы токов и напряжений при углах и При активно-индуктивной нагрузке за счет энергии, запасаемой в индуктивности , выпрямленный ток продолжает протекать в нагрузке и при переходе выпрямленного напряжения в зону отрицательных значений. Если накопленной в индуктивности энергии окажется достаточно, чтобы обеспечить протекание тока до очередной коммутации вентилей, то будет наблюдаться режим работы с непрерывным током . При режим непрерывного тока будет иметь место при любых углах в диапазоне от 0 до . В этом случае среднее значение выходного напряжения можно определить по формуле (3. 8) Когда угол становится равным , площади положительного и отрицательного участков кривой выпрямленного напряжения становятся равными, что свидетельствует об отсутствии постоянной составляющей в выпрямленном напряжении, или, иначе говоря, среднее значение Ed становится равным нулю (кривая 2 на рис.7). Регулировочные характеристики трехфазного нулевого выпрямителя:.1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке Заштрихованная область соответствует семейству регулировочных характеристик в режимах прерывистого тока id при различных значениях отношения Ld/Rd. Примем индуктивность Ld настолько большой, ток нагрузки i до момента отпирания следующего вентиля не успевает пройти через нуль. Когда ток через нуль не проходит, он нарастает от интервала к интервалу и устанавливается в течение ряда периодов. В трехфазной нулевой (однотактной, ) схеме к нагрузке подключено напряжение , где , а угол естественного включения вентилей при составляет . Ток через нагрузку определяется дифференциальным уравнением (9) Общий интеграл решения уравнения (9) (10 ) где ; угол - нагрузки; – постоянная интегрирования, определяемая в каждом конкретном случае из начальных условий. Для определения тока в любом интервале времени удобно воспользоваться разностными уравнениями. В общем случае к нагрузке может быть подключено напряжение с противо-ЭДС: , где – противо-ЭДС, например, аккумуляторная батарея или якорь двигателя постоянного тока. При воздействии противо-ЭДС можно получить режим прерывистых токов, где уравнения (9) и (10) недействительны, т.к. . При непрерывный режим тока имеет место при любых соотношениях и , и ничем не отличается от случая активной нагрузки при . При дальнейшем увеличении угла управления непрерывный режим тока сохраняется только при значительном преобладании индуктивности . Для без большой погрешности ток нагрузки можно считать идеально сглаженным. Поскольку в простейшей схеме токи вторичных обмоток имеют пульсирующий характер и содержат постоянные составляющие, то в магнитной системе трансформатора возникает ток вынужденного подмагничивания, который может вызвать насыщение трансформатора. Это обстоятельство вызывает необходимость завышать расчетную мощность трансформатора. Трехфазная вентильная схема (схема Ларионова) Вентили 1,3,5 образуют катодную, а вентили 2,4,6 – анодную группы. Из катодной группы ток пропускает тот вентиль, к аноду которого подводится большее положительное напряжение. Замечание. Следует отметить, что нумерация вентилей в данной схеме носит не случайный характер, а соответствует порядку их вступления в работу при условии соблюдения фазировки трансформатора. Трехфазная двухтактная вентильная схема В любом промежутке времени должны быть включены два вентиля – один из катодной, а другой из анодной группы. Поочередная работа различных пар вентилей в схеме приводит к появлению на сопротивлении выпрямленного напряжения, состоящего из частей линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора (ось 2). Видно, что моменты коммутации совпадают с моментами прохождения через нуль линейных напряжений (когда равны два фазных напряжения). В промежутке (0-01) наибольшее положительное значение имеет напряжение , подаваемое к аноду вентиля 1, а наибольшее отрицательное значение – напряжение , подводимое к катоду вентиля 6. Следовательно, в этом промежутке одновременно включены вентили 1 и 6. Через вентиль 1 положительное напряжение подводится к нижнему зажиму, а через вентиль 6 отрицательное напряжение подводится к верхнему зажиму сопротивления . Поэтому выпрямленное напряжение . Кривые токов и напряжения при В точке 01 напряжение , поэтому из анодной группы включается вентиль 2. Так как правее точки 01 напряжение имеет наибольшее отрицательное значение, вентиль 6 выключается. В промежутке (01-02) одновременно включены вентили 1 и 2 и выпрямленное напряжение . Очевидно, что амплитуда выпрямленного напряжения . К каждому закрытому вентилю приложено линейное напряжение, поэтому амплитуда обратного напряжения . Число пульсаций выпрямленного напряжения . Постоянная составляющая выпрямленного напряжения (среднее значение) вычисляется для интервала повторяемости выпрямленного напряжения, равного : (1) где – действующее значение фазного напряжения вторичных обмоток трансформатора. Действующее значение тока вторичной обмотки (ось 6) , (2) Действующее значение тока первичной обмотки (3) Максимальное значение тока вентиля (4) Среднее значение тока вентиля (5) Действующее значение тока вентиля (6) Пусть угол управления . В трехфазной мостовой схеме на управляемых вентилях отпирающие импульсы поступают с задержкой на угол относительно нулей линейных напряжений или моментов пересечения синусоид фазных напряжений. В результате задержки моментов коммутации тиристоров на угол среднее значение выпрямленного напряжения, образованного из соответствующих частей линейных напряжений, снижается. До тех пор, пока кривая мгновенных значений выпрямленного напряжения остается выше нуля, что соответствует диапазону изменения угла управления , выпрямленный ток будет непрерывным вне зависимости от характера нагрузки. Поэтому при углах среднее значение выпрямленного напряжения для активной и активно-индуктивной нагрузки будет равно (7) При углах и активной нагрузке в напряжении и токе появляются интервалы с нулевым значением, т.е. наступает режим работы с прерывистым выпрямленным током. Среднее значение выпрямленного напряжения для этого случая может быть выражено следующим образом: (8) где . Диаграммы токов и напряжений при углах Замечание. В режиме с прерывистым током для обеспечения работы данной схемы, а также для ее первоначального запуска на вентили схемы следует подавать сдвоенные отпирающие импульсы с интервалом или одиночные, но с длительностью, большей, чем . Это объясняется тем, что для образования замкнутой цепи протекания тока id необходимо обеспечить одновременное включение вентиля анодной группы и вентиля катодной группы. Диаграммы напряжений при углах и При изменении угла от 0 до регулировочная характеристика для активной и активно-индуктивной нагрузки описывается формулой . При активно-индуктивной нагрузкке и углах , если или отношение таково, что обеспечивается режим непрерывного тока , среднее значение выпрямленного напряжения также определяется по формуле . При среднее значение становится равным нулю, значит, это соответствует равенству площадей положительного и отрицательного участков кривой выпрямленного напряжения, что свидетельствует об отсутствии в нем постоянной составляющей (кривая 2 ). Начиная с угла при активной нагрузке регулировочная характеристика описывается формулой (кривая 1 ). . Регулировочные характеристики: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активноиндуктивной нагрузке Заштрихованная область на соответствует семейству регулировочных характеристик в режиме с прерывистым током i d при различных значениях . Примем индуктивность настолько большой, что ток нагрузки до момента отпирания следующего вентиля не успевает пройти через нуль. Когда ток через нуль не проходит, он нарастает от интервала к интервалу и устанавливается в течение ряда периодов (обычно трех, четырех). В трехфазной мостовой схеме к нагрузке подключено напряжение , где , а угол естественного включения вентилей при составляет . Ток через нагрузку определяется дифференциальным уравнением (9) Общий интеграл решения уравнения (9) (10 ) где ; - угол нагрузки; - постоянная времени цепи нагрузки; – постоянная интегрирования, определяемая в каждом конкретном случае из начальных условий. Для определения тока в любом интервале времени удобно воспользоваться разностными уравнениями. В общем случае к нагрузке может быть подключено напряжение с противо ЭДС , где – противо-ЭДС, например, аккумуляторная батарея или якорь двигателя постоянного тока. При воздействии противо-ЭДС можно получить режим прерывистых токов, где уравнения (9) и (10) недействительны. Особенности некоторых режимов в схемах выпрямителей Коммутация в однофазных схемах В реальных схемах из-за наличия во входной цепи переменного тока индуктивных сопротивлений, в частности индуктивных сопротивлений обмоток согласующего трансформатора или входных реакторов, процесс коммутации имеет определенную длительность, т.е. процесс перехода тока с одного вентиля на другой происходит не мгновенно, а с некоторой постоянной времени контура коммутации. Процессы коммутации: а - схема; б – осциллограммы Помимо индуктивного сопротивления, на процессы коммутации влияет и входное активное сопротивление обмоток трансформатора, но его влияние в нормальных режимах значительно меньше. Поэтому рассмотрим процессы коммутации с учетом только входных индуктивных сопротивлений ( ), полагая при этом выпрямленный ток идеально сглаженным ( ). Учитывая одинаковый характер процессов коммутации в различных вентильных схемах, остановимся на наиболее простой схеме выпрямления – однофазной двухполупериодной. Индуктивные сопротивления обмоток силового трансформатора учтены введением в схему индуктивностей ; и – мгновенные значения ЭДС вторичных полуобмоток. Предположим, что в проводящем состоянии находится вентиль . В момент поступает отпирающий импульс на вентиль . Поскольку потенциал анода вентиля в этот момент положителен относительно катода, вентиль включается . Начиная с момента оба вентиля будут включены, и вторичные полуобмотки трансформатора оказываются замкнутыми через вентили и накоротко. Под воздействием ЭДС вторичных полуобмоток и в короткозамкнутой цепи (контур коммутации) возникает ток короткого замыкания , который является коммутирующим током. Этот ток можно в любой момент времени, начиная с , определить как сумму двух составляющих: установившейся и свободной , которые рассчитываются по следующим соотношениям: ; , где – действующее значение напряжения вторичной полуобмотки трансформатора; ; - угол управления. Результирующий ток короткого замыкания можно записать в виде . Учитывая, что выпрямленный ток при в период коммутации остается неизменным, можно записать для узла 0 или следующее уравнение токов: , где – среднее значение выпрямленного тока или тока нагрузки. Последнее уравнение справедливо для любого момента времени. Пока ток проводит только вентиль , получаем ; . В интервале коммутационного процесса ( ) от до ток плавно увеличивается, а уменьшается. Когда ток будет равным , а ток снизится до нуля, вентиль выключится, и ток нагрузки будет протекать лишь через вентиль . Длительность интервала коммутации характеризуется обычно углом коммутации , который может быть определен для рассмотренной схемы из следующего уравнения: (1) Обозначив угол коммутации записать при угле через , можно (2) подставив (2) в (1) получим (3) Замечание 1. Длительность протекания тока в вентилях по сравнению с идеализированной схемой увеличивается на угол и становится равной . Замечание 2. Процесс коммутации оказывает непосредственное влияние на выпрямленное напряжение , так как на интервалах коммутации мгновенное значение выпрямленного напряжения в рассмотренной схеме снижается до нуля. В результате этого происходит уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения на . (4) Для нашего случая имеем , таким образом, падение напряжения в коммутационном интервале выразится как или (5) но , где (6) При непрерывных токах, т.е. токах, при которых существуют коммутационные провалы напряжения , имеем регулировочную характеристику . Регулировочные характеристики Процедура определения угла коммутации по регулировочной характеристике (рис. 2): находим и откладываем ее на регулировочной характеристике, от точки откладываем , проводим прямую, и, опустив перпендикуляры на ось , получаем угол коммутации . Среднее значение выпрямленного напряжения для рассмотренной схемы . Рассмотренный принцип нахождения угла коммутации применим к любой схеме, но при условии непрерывного тока . Замечание 3. Появление коммутационных участков в выпрямленном напряжении приводит к изменению его гармонического состава (5-8%). Угол коммутации влияет и на гармонический состав первичного тока (тока, забираемого из сети), потребляемого выпрямителем. Влияние процесса коммутации. Мостовая схема. Однофазная мостовая схема по принципу действия подобна однофазной двух полупериодной схеме, рассмотренной ранее. Мостовая однофазная схема Отличие состоит в том, что при коммутации тока в этой схеме возникают два контура коммутации, каждый из которых состоит из двух вентилей и вторичной обмотки трансформатора: один контур – из вентилей и , а другой – из этими контурами поровну . Для мостовой схемы имеем . Ток распределяется между ; . Среднее значение выпрямленного напряжения , где (7) ) возникают частичные контуры В многофазных схемах ( короткого замыкания между отдельными фазами. При этом мгновенное значение выпрямленного напряжения не падает до нуля, а становится равным среднему арифметическому значению напряжений фаз, в вентилях которых коммутируются токи. Так, для трехфазных схем со средней точкой и мостовой мгновенное значение выпрямленного напряжения на интервале коммутации тока между вентилями фаз и равно , где и – мгновенные значения фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора. Длительность протекания тока через вентили увеличивается на угол и становится равной . В схемах со средней точкой и трехфазной мостовой угол коммутации связан с выпрямленным током и углом следующим соотношением: . Процесс коммутации в трехфазной схеме Падение напряжения , на которое уменьшаются средние значения выпрямленного напряжения, равно: (8) , (9) Часто встречается выражение , что не всегда оправдано, т.к. есть еще коэффициент схемы. Внешние характеристики выпрямителей Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки, т.е. . Внешняя характеристика определяется внутренним сопротивлением выпрямителя, которое приводит к снижению выпрямленного напряжения с ростом нагрузки. Снижение напряжения обусловлено активным сопротивлением схемы выпрямителя , падением напряжения в вентилях и индуктивным сопротивлением , которое проявляется при процессах коммутации. Соответственно внешнюю характеристику выпрямителя (при ) можно записать в виде следующего уравнения: , где находится по выражениям (7-9); ; ; ; – падение напряжения на вентилях (0.5...2)В. - в режиме непрерывных токов; - из регулировочной характеристики для каждого частного случая; - при работе выпрямителя на якорь двигателя постоянного тока. 4. Работа выпрямителей на противо-ЭДС Рассмотрим влияние противо-ЭДС на электромагнитные процессы в схеме выпрямителя на примере однофазной схмы со средней точкой, в цепь постоянного тока которой включена аккумуляторная батарея с ЭДС Е0 и внутренним сопротивлением Rd . Выпрямитель с противо-ЭДС: а – схема, б – диаграммы напряжения и тока Предположим, что ключ замкнут, т.е. индуктивность отсутствует. В этом случае ток в нагрузке начинает протекать, когда мгновенное значение выпрямленного напряжения превышает ЭДС . так как только при этом условии к вентилям схемы будет приложено прямое напряжение, и они будут проводить ток. Ток id, протекающий в этом случае в цепи нагрузки, можно выразить следующей формулой, приняв за начало отсчета максимум выпрямленного напряжения: (10 ) Очевидно, что интервал проводимости вентилей будет зависеть от соотношения амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора и противо-ЭДС . Тогда интервал проводимости вентилей можно записать в виде . Учитывая, что отсчет ведется от максимума выпрямленного напряжения, можно записать (11 ) или . Подставляя (11) в (10), получаем следующее выражение для мгновенного значения тока в нагрузке: . Среднее значение выпрямленного тока (постоянную составляющую) можно определить из соотношения (12 ) Для схемы -фазного выпрямителя уравнение (12) принимает вид (13 ) где – амплитуда фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора. Если в цепь постоянного тока включена индуктивность (ключ разомкнут), то пульсация выпрямленного тока уменьшается и при становится равной нулю. В этом случае можно записать , где – среднее значение выпрямленного напряжения из регулировочной характеристики. Пример. Рассчитать интервал проводимости и среднее значение тока вентилей неуправляемого выпрямителя, выполненного по однофазной схеме со средней точкой и работающего на противо-ЭДС. Исходные данные следующие: трансформатора ; - ЭДС в цепи постоянного тока ; -ЭДС Ld=0. ; Определим по (11) угол отсечки вентилей : . Тогда интервал проводимости вентилей . Среднее значение выпрямленного тока . Среднее значение тока вентиля равно . Выбор согласующего трансформатора и вентилей Примерный порядок проектирования схем преобразователей с естественной коммутацией Для проектирования требуются следующие исходные данные: напряжение, частота и мощность КЗ в сети переменного тока; напряжение на стороне постоянного тока и необходимый диапазон его изменения; преобразуемая мощность; некоторые дополнительные данные – пульсации выпрямленного тока или напряжения, содержание гармоник тока на стороне переменного тока, коэффициент мощности и т.п. При проектировании должны быть выполнены следующие расчеты. после того как выбрана наиболее подходящая схема преобразователя, определяется действующее значение напряжения вентильной (вторичной) обмотки преобразовательного трансформатора, исходя из требуемого наибольшего значения выпрямленного напряжения; вычисляются действующие значения токов в обмотках преобразовательного трансформатора, производится расчет его мощности и выбирается из каталога ближайший по мощности; Замечание. При некоторых схемах преобразователей в вентильных (вторичных) обмотках преобразовательного трансформатора, например в трехфазной нулевой схеме, протекают токи только в одном направлении, т.е. пульсирующие токи. Это может привести к нарастанию некомпенсированной намагниченности стержней магнитопровода трансформатора. Лучше избегать схем, при использовании которых возможны такие явления. Если же такое решение все-таки необходимо, то должны быть приняты меры по уменьшению неблагоприятного влияния пульсирующей нагрузки, например, следует ввести третичные обмотки и т.п. вычисляются действующие и средние значения токов в каждом элементе преобразователя; вычисляются напряжения на вентилях преобразователя и по каталогам (фирменным) производится выбор полупроводниковых приборов с полной эксплуатационной информацией; определяется коэффициент мощности и содержание высших гармоник тока на стороне переменного тока преобразователя, считая сетевое напряжение синусоидальным; коэффициент мощности определяется с учетом содержания высших гармонических тока: , где - коэффициент искажения, равный отношению действующего значения тока основной (первой) гармоники к действующему значению всего тока, - угол сдвига фазы основной (первой) гармоники тока относительно напряжения; определяется содержание гармоник высших токов и напряжения в цепи постоянного тока (в нагрузке); определяется тип фильтра и его параметры; определяются параметры защитных устройств и устройств, обеспечивающих заданные режимы работы преобразовательной установки. Выбор трансформатора Трансформатор на входе вентильного преобразователя – это согласующий элемент, устройство гальванической развязки и дополнительное устройство защиты полупроводниковых приборов [3]. Параметрами, определяющими выбор трансформатора, обычно являются расчетные значения фазных напряжений ( ) и токов во вторичной и первичной обмотках трансформатора и типовая мощность . 1. Трансформатор, как согласующий элемент, служит для согласования напряжения, подводимого из сети, с напряжением, необходимым для нормальной работы нагрузки. При определении величины необходимого фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора ( ) возникают трудности, связанные с тем, что в начальной стадии проектирования оказываются неизвестными многие падения напряжения в отдельных элементах преобразователя. В этом случае расчет приходится вести следующим образом. Сначала ориентировочно задаются возможными падениями напряжения в различных элементах преобразователя и определяют необходимое фазное напряжение во вторичной обмотке трансформатора. А затем, после того, как будут выбраны все элементы силовой цепи преобразователя, величина уточняется. Предварительно вычисляется напряжение на выходе выпрямителя при минимальном значении угла управления или из условия , где 1,1 – коэффициент, учитывающий возможное снижение напряжения сети на 10%; – ЭДС вращения при номинальной скорости двигателя; – коэффициент, учитывающий допустимые перегрузки по току, из условий коммутации якоря двигателя и – для электроприводов переменного тока; суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока (обмотки трансформатора, дросселей, динамического сопротивления вентилей, сопротивление, учитывающее действие коммутационных процессов в преобразователе и т.п.); предварительно величина может быть принята равной ; – падение напряжения на вентилях. 2. В связи с тем, что в трансформаторе не существует электрической связи между вторичной и первичной обмотками, трансформатор является элементом гальванической развязки сетевого напряжения и напряжения преобразовательного устройства с нагрузкой. 3. Трансформатор на входе вентильного преобразователя обладает собственным активным сопротивлением ( ) и входной индуктивностью ( ), ограничивающей скорость изменения тока в вентилях преобразователя и соответственно токи короткого замыкания на стороне постоянного напряжения. Определив необходимое значение напряжения на нагрузке , нетрудно найти расчетное значение , соответствующее схеме выпрямления, а зная первичное напряжение , определяется коэффициент трансформации трансформатора и расчетная мощность трансформатора . Мощность выбираемого трансформатора по каталогам должна быть больше или равна расчетной: . В литературе часто можно встретить некорректный подход к выбору трансформатора. Наибольшая погрешность появляется в расчетах схем с нулевым выводом [3]. Например, для однофазной двухполупериодной схемы выпрямителя с выводом полагается: ; ; ; но в этом случае мощность вторичной обмотки больше мощности, забираемой из сети, т.е. , тогда и КПД . Мощность вторичной обмотки трансформатора ни при каких обстоятельствах не может быть больше мощности первичной обмотки. В силу тождественности форм кривых токов и напряжений при активной нагрузке действующее значение напряжения определяется точно так же, как и действующее значение тока. Для однофазной схемы с нулевым выводом . Действующее значение напряжения . Во время приложения к какой-либо половине обмотки обратного напряжения прямое напряжение на ней равно нулю, тогда , где - фазность схемы преобразователя. Следовательно, , т.е. по затратам энергии однофазная мостовая схема и схема с нулевым выводом абсолютно идентичны. Для активно-индуктивной нагрузки ( ) действующее значение тока и напряжения соответственно равны: ; , тогда мощность обмоток . Косвенным подтверждением справедливости предлагаемых расчетов может служить баланс мощности. В общем случае с учетом принятых упрощений , где – потери от высших гармоник пульсаций напряжения и тока. Основная доля потерь падает на первую гармонику напряжения . Потери эти чисто активные, они могут быть рассчитаны по следующей формуле: , где , – действующие значения первых гармоник пульсаций напряжения и тока; – сопротивление нагрузки; – полные мощности первичной и вторичной обмоток; – выпрямленное напряжение, ток и мощность; - действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора. Активно-индуктивная нагрузка создает главным образом потери реактивной мощности. Формальное отличие от отражает разницу между действующим и средним значениями напряжения на обмотках трансформатора. В то же время идеализированный ток прямоугольной формы в обмотках или эквивалентная ему сумма гармоник нечетного порядка имеет резко выраженный реактивный характер и создает потери только в питающей сети (в баланс мощности эти потери не входят). Расчетное значение требуемой мощности трансформатора желательно увеличить на величину потерь от первой гармоники , где коэффициент 1,1 учитывает потери от гармоник больше первой. По расчетным значениям и выбирается тип трансформатора с его номинальными паспортными данными: , , , , вес и т.п. Расчетную мощность трансформатора нетрудно найти, используя показатели табл.1, при этом . Замечание. При отсутствии в каталогах трехобмоточного трансформатора с параметрами обмоток, близкими к требуемым, допускается выбор ближайшего по мощности трансформатора с одной вторичной обмоткой, причем требуемая расчетная мощность увеличивается на 30%. Обычно завод-изготовитель трансформаторов гарантирует изменение напряжения по требованию заказчика при соблюдении постоянства и . После выбора трансформатора производится расчет активного и индуктивного сопротивлений: ; ; . Таблица 1. Показатели выпрямительных схем Автотрансформатор в двухполупериодных вентильных схемах Когда действующее напряжение питающей сети незначительно отличается от напряжения вторичной обмотки , для получения однополупериодных однотактных схем выпрямления более экономично использовать автотрансформаторы. Схема понижающего автотрансформатора Схема повышающего автотрансформатора К зажимам понижающего автотрансформатора подводится напряжение , а на зажимах и получаем напряжение . В повышающем автотрансформаторе напряжение подводится к зажимам , а напряжение вторичной обмотки получаем на зажимах и . Для обоих автотрансформаторов коэффициент трансформации , где – число витков секции обмотки витков секции обмотки и (или и ). (или ), – число В понижающем автотрансформаторе , а в повышающем трансформаторе . В секции обмотки понижающего автотрансформатора протекает первичный ток . В секции обмотки к току добавляется встречный ток , который по величине превышает первичный ток. Поэтому результирующий ток этой обмотки . Тот же ток в секции обмотки протекает во втором полупериоде. Между токами и существует зависимость , поэтому результирующий ток . Во втором полупериоде в той же секции протекает первичный ток . Когда последовательно с приемником энергии включено большое индуктивное сопротивление ( ), в рабочем полупериоде и действующее значение тока секции обмотки . В секциях обмоток и автотрансформатора протекает ток i1, действующее значение которого . Действующее значение напряжения вторичной обмотки . Напряжение в секциях и пропорционально числу витков, поэтому его действующее значение . По приведенным формулам находим понижающего автотрансформатора: расчетную мощность . Расчетная мощность повышающего автотрансформатора . , Замечание. Когда коэффициент трансформации расчетная мощность автотрансформатора меньше мощности двух обмоточного трансформатора. Дроссели Если при заданных значениях выпрямленного напряжения требуемое напряжение вторичной обмотки трансформатора близко с напряжением питающей сети , то вместо трансформатора можно установить токоограничивающие реакторы. Выбор токоограничивающего реактора можно произвести следующим образом. По заданному значению тока нагрузки определяется действующее значение тока, протекающего через токоограничивающий реактор: . Далее из каталога (справочника) выбираются вентили с допустимой величиной скорости изменения тока . Индуктивность реактора определится как , где – коэффициент запаса. По расчетным значениям и из каталога выбирается реактор в каждую фазу преобразователя. Входные реакторы не должны насыщаться при токах короткого замыкания. Выбор вентилей (тиристоров) Высокая надежность работы преобразователя может быть обеспечена лишь при условии учета на стадии проектирования всех специфических особенностей выбираемого прибора при выполнении всех рекомендаций в конкретной схеме. Большая часть приведенных в справочной литературе тиристоров и диодов может обеспечить максимально допустимый ток лишь при наличии охладителей и заданных условий охлаждения. Если используется естественное охлаждение, то допустимый ток через прибор снижается и составляет примерно 35% от максимально допустимого. При обращении к справочнику или каталогу для выбора диода или тиристора достаточно иметь расчетные величины максимального и среднего значения тока, проходящего через прибор и значения максимального обратного напряжения. В настоящее время преимущественно используется система так называемых предельных параметров, характеризующих предельные возможности прибора. Основными параметрами диодов являются: 1. Предельный ток . Это максимально допустимое среднее за период значение прямого тока, длительно протекающего через прибор. Значение определяется в однофазной однополупериодной схеме с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, полу синусоидальной форме тока и максимально допустимой температуре структуры. При использовании прибора в других схемах необходимо пересчитывать предельный ток. Необходимость пересчета обусловлена изменением соотношения между средним и действующим значениями тока, протекающего через вентиль в различных схемах, и другими факторами. Обычно для этой цели используются графические зависимости, приводимые в информационных материалах. В информационных материалах приводятся значения предельных токов с учетом влияния охладителя и условий охлаждения. 2. Ток рабочей перегрузки – это ток, характеризующий максимальное значение тока в течение небольшого определенного времени при заданных условиях работы. 3. Ударный ток . Это максимально допустимая амплитуда одиночного импульса тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при заданных условиях работы прибора. 4. Повторяющееся напряжение . Это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемого к диоду в обратном направлении. Напряжение UП характеризуется классом прибора. 5. Неповторяющееся напряжение . Это максимально допустимое мгновенное значение любого неповторяющегося напряжения, прикладываемого к диоду в обратном направлении. 6. Критическая скорость нарастания прямого тока . Это максимально допустимая скорость нарастания прямого тока через прибор. Кроме предельных параметров, которые должны быть выдержаны при эксплуатации, важными параметрами являются: прямое падение напряжения , обратный ток , и др. Большинство указанных параметров обычно приводятся в техническом паспорте на прибор, а более подробная информация о параметрах, характеристиках и эксплуатационных свойствах – в технических условиях на прибор. Например, диод с не лавинной характеристикой с водяным охлаждением, второго конструктивного исполнения, на предельный ток 1000 А, с повторяющимся напряжением 600 В обозначается как ВВ21000-6. Часть параметров, которыми характеризуются тиристоры, аналогична параметрам, указанным ранее для диодов. Поскольку включение тиристора зависит от управляющего тока, то в информационных материалах приводят диаграмму вольтамперных характеристик управляющего электрода. Большинство типов тиристоров включаются токами порядка нескольких сотен миллиампер при напряжении на управляющем электроде, не превышающем 8 В. Длительность отпирающего импульса должна быть больше нескольких десятков микросекунд. Для быстрого и четкого включения тиристора, управляющие импульсы должны иметь крутой фронт (порядка единиц микросекунд). Перенапряжения в диоде могут возникнуть только в обратном направлении, в то время как в управляемом приборе они могут возникнуть в обоих направлениях. В каталогах номинальные напряжения нормируются следующим образом: обратное напряжение – это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемое к тиристору или диоду в обратном направлении; прямое повторяющееся напряжение – это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемого к тиристору в прямом направлении; неповторяющиеся напряжения – это максимально допустимые мгновенные значения любого напряжения, нерегулярно прикладываемого к полупроводниковому прибору (грозовые или коммутационные перенапряжения в сети, перенапряжения вследствие отключения тока намагничивания при отключении трансформатора и др.). Включение управляемых силовых полупроводниковых приборов может привести к быстрому нарастанию тока, особенно если момент включения совпадает с большим значением прямого напряжения. Поскольку скорость увеличения проводящего поперечного сечения тиристора во включающемся полупроводниковом приборе ограничена, местная плотность тока и сопутствующий ей местный нагрев могут сохраняться в допустимых пределах только, благодаря ограничению скорости нарастания тока до значений, нормированных изготовителем. Поэтому индуктивность контура, замыкаемого полупроводниковым прибором, который начинает проводить ток, не должна снижаться ниже предела, определенного этим условием. У большинства преобразователей требуемая индуктивность обеспечивается в первую очередь элементами главной схемы (индуктивностью рассеяния трансформаторов или индуктивностью реакторов на входе схемы), так что никакой другой индуктивности обычно не требуется. В соответствии с предписанием стандарта в каталогах на полупроводниковые приборы указывается критическая скорость нарастания тока при следующих условиях: температура кристалла – максимально допустимая; номинального тока; непосредственно перед включением не превышает 67% повторяющегося прямого напряжения; ения включений 50 Гц; нарастания тока, амплитуде и длительности, указанным для данного вентиля в каталоге. Кроме, перечисленных выше, в технических условиях на тиристоры обычно указываются дополнительные параметры: Время включения – это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения анодного напряжения на тиристоре до 10% начального значения при работе тиристора на активную нагрузку. Время выключения (называемое также временем восстановления запирающей способности тиристора). Это время от момента, когда прямой ток становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать (не отпираясь) напряжение, прикладываемое в прямом направлении с определенной амплитудой и скоростью нарастания. Критическая скорость нарастания прямого напряжения . Это максимально допустимое значение скорости нарастания прямого напряжения при разомкнутой цепи управляющего электрода. Скорость нарастания прямого напряжения не должна превышать значений, нормированных изготовителем, так как в противном случае емкостные токи, появляющиеся в переходах, могут привести к самопроизвольному включению тиристора. Сравнительно медленное включение может привести к большим потерям при включении и повреждению вентиля. Ток удержания – это максимальный прямой ток, проходящий через тиристор при разомкнутой цепи управляющего электрода, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии. Токи удержании необходимо знать для расчета минимальной нагрузки преобразователя, при которой тиристоры находятся с проводящем состоянии. Защитный показатель или . Это показатель, характеризующий термодинамическую стойкость прибора при кратковременных перегрузках. Оценка защищенности прибора с помощью характеристики производится путем сравнения ее с аналогичной характеристикой защитного устройства (например, плавкого предохранителя или электромагнитного автоматического выключателя и т.п.). Во всех случаях прибора (вентиля) должен быть больше устройства защиты. В обозначении типа тиристора содержится ряд букв и цифр, например тиристор типа ТВ2-1000-6-121 – это тиристор с водяным охлажденим второго конструктивного исполнения с предельным током 1000 А, повторяющемся напряжением 600 В (6-й класс) с (группа 1), с временем выключения (группа 2) и (группа 1). Соблюдение вышеперечисленных параметров позволяет использовать преобразователь с безопасной эксплуатацией на сроки более 10 лет непрерывной работы. Защитные цепи преобразователя 1. Защита от перенапряжений на входе преобразователя В качестве защиты от перенапряжений, возникающих в сетях, и перенапряжений, возникающих вследствие отключения преобразовательного трансформатора, обычно используют -контуры, присоединенные на вентильной стороне трансформатора, -контуры, присоединенные через вспомогательный выпрямитель или при помощи шунтирования вторичных выводов трансформатора с емкостями, превышающими емкости обмоток . Типичные схемы защиты преобразователей от сетевых перенапряжений Если преобразователь присоединен непосредственно к сети, без трансформатора, эти защитные элементы должны быть присоединены к главной схеме через дополнительную индуктивность. Величины сопротивлений и емкости конденсаторов рассчитываются по соотношениям: , где – число фаз; – действующее значение намагничивающего тока, приведенного к вторичной цепи. Для стандартных трансформаторов эта величина может быть принята равной 3-7% от вторичного номинального тока ; – коэффициент, определяющий отношение амплитудного значения выпрямленного напряжения к действующему значению фазного напряжения. Например, для мостовой трехфазной схемы ; - круговая частота питающей сети ; - фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора; - коэффициент запаса, , где – максимальное мгновенное напряжение, которое не должно превосходить значения допустимого неповторяющегося напряжения на вентиль, – максимальное расчетное обратное напряжение на вентиле в конкретной схеме; , где – индуктивность фазы трансформатора. После определения расчетных значений емкости и сопротивлений необходимо произвести их выбор по каталогу из диапазона номинальных значений . Защита тиристоров Проект защиты должен учитывать последствия, к которым может привести та или иная неисправность. Чтобы не прерывать технологический процесс, иногда необходимо снизить уровень защиты для вспомогательных устройств, например при перегрузках можно предусмотреть не отключение, а лишь подачу предупредительного сигнала. Важные вспомогательные устройства нужно резервировать. Одним из многих преимуществ тиристоров являются их малые габариты. Однако небольшая масса и размеры поверхности обусловливают малую постоянную времени нагрева и ухудшение условий теплоотдачи. Тепловая чувствительность тиристоров возлагает большую ответственность на средства их защиты. Ниже описываются наиболее типичные аварийные режимы и соответствующие способы защиты тиристоров. Ограничение В момент подачи управляющего импульса при прямом напряжении на тиристоре анодный ток начинает протекать через переход в непосредственной близости от вывода управляющего электрода, и лишь затем он распространяется по всей площади перехода. При большой скорости нарастания анодного тока вследствие высокой его плотности вблизи управляющего электрода возникают очаги перегрева, которые могут привести к выходу прибора из строя. Поэтому при включении тиристора производную анодного тока следует ограничивать некоторым допустимым значением, для этой цели могут быть использованы небольшие реакторы в анодной цепи. Предельное значение производной тока ( ) лежит в пределах (20...1500) А/мкс. Ограничение Если скорость изменения напряжения на тиристоре высока, ток может достигнуть значения, достаточного для включения тиристора без управляющего импульса. Эффект включения под воздействием приводит к сбоям в работе преобразователя. Допустимая скорость изменения анодного напряжения составляет обычно (20...1000) В/мкс. Для защиты тиристора от непреднамеренного включения при больших в простейшем случае применяется шунтирующая RC-цепочка (RШ, СШ), включаемая параллельно тиристору. Пример обозначения по ГОСТ 20859-75 тиристора: Т160-10453 - низкочастотный тиристор на предельный ток 160 А, повторяющееся напряжение 1000 В (10 класс), скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 200 В/мкс (4 группа), время выключения 60 мкс (5 группа), критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии 50 А/мкс (3 группа). Пример определения параметров защитных элементов. Для регулирования мощности, выделяемой в резисторе , используется тиристор . Напряжение питания 400В, а допустимые значения и равны 50 А/мкс и 200 В/мкс соответственно. Требуется определить параметры защитных элементов: индуктивность реактора и -цепи ( , ). Ограничение и : а - схема цепи; б - эквивалентная схема при замыкании ключа Решение. Напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно. Более того, тиристор в зоне низкой проводимости имеет большое внутреннее сопротивление. Поэтому при замыкании ключа цепь нагрузки может быть представлена эквивалентной схемой б. Уравнение напряжений имеет вид , откуда , где - сопротивление резистора в шунтирующей цепи. Как следует из последнего выражения, имеет максимальное значение при , поэтому Следовательно, мкГн. Напряжение на тиристоре по времени, получаем . Дифференцируя это выражение , или , поэтому имеем . Таким образом, Ом. Если мало, то потери энергии в нем высоки. Обращаясь к схеме на рис.2,а, можно видеть, что при включении ключа все напряжение питания до открытия тиристора прикладывается к конденсатору , поэтому при открытии тиристора в нем происходит бросок тока с тем большим пиковым значением, чем меньше . Таким образом, достаточное с точки зрения ограничения тока значение RШ может быть слишком большим для ограничения . Емкость выбирается небольшой, чтобы не вывести тиристор из строя в момент разряда при его открытии. Например, , . При таком значении сопротивления может быть найдена индуктивность реактора , при которой не превышает допустимого значения: . Полученная индуктивность не слишком велика и превышает найденное выше максимальное значение, необходимое для ограничения . Теплоотвод В открытом состоянии тиристор имеет небольшое внутреннее сопротивление, при этом падение напряжения на нем составляет 1-2 В, что при большом анодном токе приводит к значительным тепловым потерям, способным вызвать разрушение прибора, поэтому тиристоры всегда устанавливаются на радиаторы, способствующие отводу теплоты от тиристора и передаче его в атмосферу. Обычно максимально допустимый средний ток в открытом состоянии при естественном охлаждении тиристоров с радиатором составляет около 30 % от предельного тока выбранного тиристора. При принудительном охлаждении максимально допустимый ток повышается и зависит от скорости охлаждающего воздуха в межреберном пространстве радиатора, при 6 м/с - до 70 % от предельного тока тиристора. Уточненные сведения можно получить в справочниках и каталогах на тиристоры и охладители к ним.. Защита от перенапряжения При неудовлетворительной коммутации, коротких замыканиях, переходных процессах при регулировании, ударах молнии и т. п. напряжение на тиристоре может превысить допустимое значение. Защита от перенапряжений осуществляется с помощью включаемых параллельно тиристору нелинейных элементов, сопротивление которых уменьшается при увеличении напряжения. При больших напряжениях на тиристоре они шунтируют его силовую цепь. Из-за высокой крутизны импульсов перенапряжений они могут быть устранены с помощью селеновых стабилитронов - тиректоров или металлооксидных варисторов . Защита от аварийных токов В процессе эксплуатации систем с тиристорами и диодами могут возникнуть различные виды аварийных режимов их работы. Основные виды аварий можно разделить на две группы: внешние и внутренние. К внешним авариям обычно относят короткие замыкания в цепях нагрузки или питающей сети. Внутренние аварии более многообразны и обычно бывают вызваны повреждениями вентилей или нарушениями работы системы управления. Аварии, вызванные выходом из строя вентилей по причине электрического или теплового пробоя, являются, как правило, наиболее тяжелыми, так как сопровождаются протеканием в схеме больших аварийных токов. Аварийный ток зависит от момента возникновения аварии и режима работы выпрямителя. Поэтому при расчетах обычно учитывают такие обстоятельства, при которых развиваются максимальные и минимальные аварийные токи. Данные об этих значениях необходимы для проектирования защиты и определения электродинамической стойкости оборудования преобразователя. Схема тиристорного блока с устройством защиты Полупроводниковые приборы имеют весьма небольшую теплоемкость, поэтому длительная перегрузка и работа при импульсных токах, а также кратковременные сильные броски тока могут привести к недопустимому перегреву переходов и выходу прибора из строя. Для защиты от выхода из строя элементов преобразователя применяют различные способы, которые осуществляются с помощью плавких предохранителей, автоматических выключателей или короткозамыкателей, а также специальные схемные решения. Основными характеристиками защитных средств являются быстродействие, надежность, простота в настройке и обслуживании. Для предотвращения развития аварии во всех цепях схемы преобразователя и далее в схеме электроснабжения, содержащей поврежденный агрегат, необходимо обеспечивать селективность работы защитных средств. Под селективностью (избирательностью) подразумевается способность защиты своевременно отключать только поврежденные участки схем, не допуская развития аварийных токов в остальных их частях. Перегрузочной характеристикой полупроводникового прибора по току является зависимость максимально допустимого тока, протекающего через прибор, от времени его протекания. Существуют три показателя оценки перегрузочной способности тиристоров по току: ударный ток в открытом состоянии; защитный показатель ( или ); ток перегрузки в открытом состоянии (ток рабочей перегрузки). Значение ударного тока и защитного показателя служат для выбора защитных устройств и характеризуют термодинамическую стойкость прибора при кратковременных (1 - 100 мкс) перегрузках. Устройства защиты должны ограничивать время протекания тока перегрузки в соответствии с зависимостями, приведенными в справочниках на полупроводниковые приборы. Оценка защищенности прибора с помощью характеристики производится путем сравнения ее с аналогичной характеристикой защитного устройства. Во всех случаях полупроводникового прибора должен быть больше устройства защиты. При частом воздействии ударного тока срок службы полупроводникового прибора будет снижаться. Поэтому такие воздействия тока допускаются лишь ограниченное число раз за весь срок службы. Для тока перегрузки в открытом состоянии (тока рабочей перегрузки) число циклов не ограничивается. В этом случае допустимое значение тока перегрузки зависит от предварительного режима нагрузки, длительности импульса перегрузки, применяемого охладителя (радиатора) и условий охлаждения. Наиболее простым способом защиты полупроводниковых приборов от токов коротких замыканий является использование предохранителей. Для этих целей используются специальные типы предохранителей, отличающихся высоким быстродействием, например ПП-57. Следует отметить, что такие быстродействующие предохранители обычно предназначены для защиты от токов коротких замыканий, но не перегрузки. Основным параметром плавкого предохранителя, характеризующим его в период до образования дуги, является количество энергии, необходимое для расплавления плавкого элемента. При малом времени плавления (до 0,01 с) эта энергия пропорциональна квадрату тока и времени его протекания и может быть выражена через интеграл плавления: где - время расплавления плавкого элемента, - функция изменения аварийного тока, протекающего через предохранитель. Значение интеграла плавления зависит от исходного состояния предохранителя. При отключении из горячего состояния, то есть после прогрева предохранителя рабочим током, интеграл плавления составляет 65 - 70 % значения интеграла плавления для холодного состояния предохранителя. После расплавления плавкого элемента образуется электрическая дуга. Образование дуги приводит к появлению напряжения на предохранителе и ограничению аварийного тока в цепи. Тепловое воздействие в период горения дуги может быть охарактеризовано интегралом дуги где - время горения дуги. Интеграл дуги практически не зависит от температуры предшествующего режима, а определяется лишь током в момент возникновения дуги, напряжением и индуктивностью в отключаемой цепи. Быстродействующие плавкие предохранители выбираются обычно по полному интегралу отключения , равному сумме интегралов плавления и дуги: . Полный интеграл отключения зависит от типа предохранителя, определяемого током и рабочим напряжением, а также от предельного отключаемого тока, зависящего от параметров и мощности цепи аварийного тока. Эти параметры даются в информационных материалах. Для обеспечения надежной защиты полупроводникового прибора плавкими предохранителями при коротких замыканиях необходимо выполнять условие . Предохранители, предназначенные для защиты преобразователей, обычно снабжены средствами сигнализации, например микропереключателями, контактная система которых срабатывает при перегорании плавкой вставки. Это позволяет обеспечить контроль состояния вентилей при эксплуатации. Основным недостатком защит, выполненных на основе плавких предохранителей, является необходимость в замене перегоревших плавких вставок, что снижает степень автоматизации работ при обслуживании. Для защиты преобразователей широко применяются автоматические выключатели, которые по быстродействию уступают предохранителям, но обеспечивают многократное действие и возможность дистанционного управления. Достоинство многих типов автоматических выключателей в том, что в них совмещены устройство защиты и коммутационный аппарат, позволяющий производить включение и выключение преобразователей в нормальных режимах. Условием обеспечения надежной защиты вентилей преобразователя при коротких замыканиях является , где - полное время размыкания контактов выключателя в силовой цепи преобразователя. Автоматические выключатели или предохранители должны обеспечивать разрыв цепи до выхода из строя полупроводникового прибора, причем автоматические выключатели, как правило, отключают схему целиком, а предохранители могут быть установлены для каждого прибора индивидуально, как показано на рис.3. Быстродействующие выключатели серии ВАБ, ВАТ, А-3700, АМ применяются для защиты преобразователей при внешних коротких замыканиях и перегрузках в сочетании с предохранителями в качестве защиты от внутренних коротких замыканий. При этом обеспечивается селективность защиты - предохранители не плавятся при внешних коротких замыканиях. Защита цепи управляющего электрода Цепи управляющих электродов защищаются как от перенапряжений, так и от аварийных токов. Малая мощность этих цепей позволяет применять простые защитные средства, такие как стабилитроны (рис.3), ограничивающие напряжение на электроде, и токоограничивающие резисторы . Характерной проблемой, связанной с тиристорными схемами, является их ложное срабатывание. В цепи управляющего электрода могут быть индуцированы импульсы от коммутации соседних тиристоров или сетевых помех, вызывающие переход тиристора в открытое состояние и неправильную работу схемы. Защита цепей управления от таких помех состоит в экранировании или скручивании их проводов. Часто между выводом управляющего электрода д и катодом к параллельно устанавливают конденсатор (до 0,1 мкФ) и резистор (до 200 Ом), шунтирующие помехи. Для формирования импульсов, имеющих необходимые параметры, и обеспечения потенциальной развязки силовых и управляющих цепей применяются формирователи, построенные на базе оптоэлектронных или трансформаторных элементов. Сглаживающие фильтры на пассивных элементах. В большинстве случаев переменная составляющая выпрямленного напряжения (пульсация), действующая на выходе выпрямителя, недопустимо велика для потребителей. Сглаживающий фильтр, который включается между входом В и Rн, предназначен для уменьшения пульсаций. Различают LC, RC фильтры и активные фильтры. Пассивные фильтры могут быть однозвенные и двухзвенные. Все LC фильтры, по сути, являются RL-CR фильтрами. Все сглаживающие фильтры характеризуются коэффициентом сглаживания q, который можно представить как отношение амплитуды первой гармоники пульсации на входе фильтра, нормированной на постоянную составляющую, к амплитуде первой гармоники пульсаций на выходе первого или второго звена фильтра. LC – фильтры. Во избежание резонансных явлений рекомендуется выбирать для однозвенного фильтра q>3. Необходимым условием, обеспечивающим сглаживающее действие, является соотношение между Rн и емкостным сопротивлением выходного конденсатора: Rн>> 1 , C1 где - частота пульсаций. Коэффициенты сглаживания пульсаций для RC и LC фильтров: qRC=2RC+1, qLC=2LC+1. Uн ~ При rL<<Rн q . U0 При fc=50Гц=fпулььс. 2=105, LC1 10-5(q-1). При выборе типа конденсаторов необходимо убедится, что амплитудное значение пульсации на емкости (в % от Uраб) не превышает допустимого значения, указанного в ТУ на конденсатор или справочнике. L выбирается исходя из условия предельного тока диодов выпрямителя при включении ВИЭП: 2 U 0 XХ I Д max , Lmin 2 U 0 XХ Lmin . I Д max Для двухзвенного фильтра q=q1q2, где q1, q2 – коэффициенты сглаживания первого и второго звена соответственно. При L1=L2, C1=C2 L1C1 q . 2 Применять двухзвенный LC фильтр целесообразно, когда q>16, т. к. при этом произведение суммарной индуктивности на суммарную емкость будет меньше произведения LC однозвенного фильтра, имеющего такой же коэффициент сглаживания. Иногда дроссели фильтра выполняются с дополнительной (компенсационной) обмоткой, которая позволяет в 2-4 раза увеличить коэффициент сглаживания при включении ее встречно с основной обмоткой: При этом в формулы подставляют вместо q q’=q/(24). Число витков компенсационной обмотки должно быть равно Wк=Wосн/q’. Основным недостатком такого фильтра является влияние величины и характера нагрузки выпрямителя на ограничивающее действие фильтра. Все дроссели выполняются с зазором. Всегда существует оптимальная величина зазора для данного сердечника и данной обмотки, зависящая от площади сечения, типа материала и др. факторов. Основное условие оптимизации дросселя состоит в том, чтобы при минимальном токе (I0+IM пульс) в магнитопроводе с зазором достигалось насыщение материала сердечника. Ф=LI=BSSM Iw=f() Индуктивность магнитопровода с равномерной намоткой: L эфф 0 SM W 2 . lM Для магнитопровода с зазором при М>103 эфф=lM/. B t I w H lM U=wSM Также необходимо учитывать перенапряжения на фильтрах. При сбросе нагрузки конденсаторы чисто емкостных фильтров заряжаются до амплитудного значения напряжения, подаваемого на выпрямитель. Для синусоидального сигнала: Uc=UB 2 . Для сигнала иной формы: Uc=UBМ. При сбросе нагрузки индуктивного фильтра напряжение на конденсаторах достигает значения L I н2 C1 U н2 C1 U M2 2 2 2 UM L I н2 U н2 C1 При включении ВИЭП напряжение на конденсаторах может превышать номинальное из-за резонансных явлений. Для расчета перенапряжений имеются специальные графики. Токи при зарядке емкостей очень велики, их max необходимо ограничивать. Если перенапряжение превышает U раб конденсатора или IM>IM диодов, то в цепь выпрямителя или в цепь первичной обмотки трансформатора временно (на период пуска) включают пусковое добавочное сопротивление. В целом резонансную частоту фильтра необходимо снижать до значений fрез< 1 . Необходимо понижать добротность фильтра хотя бы временно, на Tc период включения, т. к. в рабочем режиме необходимо поддерживать высокий КПД. Для этого необходимо рассчитать АЧХ и ФЧХ фильтра в EWB. При использовании переменного напряжения прямоугольной формы пульсации могут возрастать из-за недостаточного быстродействия выпрямительных диодов. Пусть переменное напряжение - прямоугольной формы с длительностью фронтов tф. Пусть в момент времени t1 напряжение на входе В, а следовательно, и прямой ток открытого диода Д1 (Д4) начали уменьшаться. В момент времени t2, когда переменное напряжение сравнялось с напряжением на нагрузке, ток через открытые диоды выпрямителя становится равным нулю, а затем изменяет свое направление. В момент времени t3 заканчивается процесс рассасывания избыточных носителей заряда в базовой области закрывания диода и ток через него резко падает. Длительность интервала рассасывания и амплитуда обратного тока через диоды В зависят от их инерционных свойств и скорости изменения тока (Rогр). В момент времени t4, когда изменившее знак напряжение на входе В вновь станет равным Uн, открываются очередные диоды, через которые происходит подзаряд конденсатора фильтра. При работе В на LC Ф с большой индуктивностью ток открытого диода остается практически неизменным в течение полупериода вплоть до момента смены полярности входного напряжения. В интервале рассасывания избыточных носителей заряда все диоды В оказываются в открытом состоянии. Наибольшие пульсации - у ФС, т. к. при смене полярности переменное напряжение конденсатора разряжается через цепь с очень малой постоянной времени. В случае ФLC дроссель увеличивает постоянную времени разрядной цепи конденсатора (в нее входят и диоды В) и ослабляет влияние их инерционных свойств на уровень пульсаций выпрямленного напряжения. Т. о., при использовании прямоугольной формы переменного напряжения инерционные свойства полупроводниковых диодов обуславливают коммутационные токи, потери мощности в диодах увеличиваются пропорционально увеличению частоты переменного напряжения. Транзисторные сглаживающие фильтры. В таких фильтрах БТ используется для подавления пульсаций выпрямленных напряжений и работает в активном режиме. Рассмотрим простейший ТФ. На вход подается выпрямленное Uвх, содержащее в своем составе как постоянную, так и переменную составляющие. Благодаря конденсатору, соединенному с общей шиной на резисторе Rб выделяется переменная составляющая. Rб подключено к базе транзистора. Должно выполняться условие Rб>>xC=1/C. При этом вся переменная составляющая входного напряжения практически полностью выделяется на транзисторе. Наибольшие пульсации напряжения на нагрузке являются следствием некоторого изменения коэффициента передачи тока БТ (эффект Ирли), а также небольшой переменной составляющей напряжения на конденсаторе. При увеличении тока нагрузки Rн уменьшается и приходится уменьшать Rб, что требует значительного уменьшения емкости, а значит массы и габаритов. В этом случае рекомендуется применять транзисторный фильтр с двухзвенным RC фильтром: Во второй схеме должен быть большой ток базы VT1. Второе схемное решение для повышенных токов нагрузки связано с использованием составных транзисторов, В=В1В2, R1+R2+R3<<Uвх/(B1IVT2). Транзисторные сглаживающие фильтры не обладают стабилизирующим действием. Медленные изменения Uвх приводят к пропорциональному изменению Uн. ТФ применяют тогда, когда повышены требования к пульсациям: Uпульс<25мВ. В этом случае их необходимо использовать даже перед компенсационным стабилизатором КРЕН142. Выпрямители – умножители напряжения. Однофазная симметричная схема выпрямителя с удвоением напряжения. Данная схема состоит из двух однополупериодных однофазных выпрямителей, нагруженных на конденсаторы. Конденсаторы заряжаются в разные полупериоды. Напряжение на нагрузке удваивается из-за суммирования напряжений на конденсаторах. Uн=2U2-2U0VD. Каждый из выпрямителей однополупериодный, но подмагничиваия нет, т. к. два выпрямителя. Экономится медь трансформаторов, но емкости выбираются большими, т.к. они подзаряжаются один раз за период. nвыпр1, т.к. потери – только на диодах, а конденсаторы только заряжаются от трансформатора. Однофазный выпрямитель с учетверением напряжения. При положительной полуволне ток течет по двум цепям: С1-VD1-C3-R и C2-VD3-R. При отрицательной полуволне ток течет по цепям C1-VD2-R и C2-VD4C4-R. Конденсаторы С1 и С2 все время перезаряжаются по разным цепям и напряжение этих конденсаторов суммируется с напряжением на обмотке при заряде конденсаторов С3 и С4. В результате на каждом из конденсаторов С3 и С4 напряжение стремится к удвоению (2UW2), а на нагрузке – к учетверению: Uн22(U2-U0VD. Схема симметричная, но КПД ниже, чем в предыдущих схемах, т.к. в один из полупериодов С1 и С2 просто перезаряжаются через резистор (джоулевы потери). Несимметричная схема с умножением напряжения с произвольным коэффициентом умножения. Такие схемы применяются при очень малых токах нагрузки, т.е. в режиме, близком к холостому ходу. Коэффициент умножения в такой схеме равен числу диодов или конденсаторов. Напряжение можно изменять путем изменения числа каскадов. Частота пульсаций fп=fc. Обратное напряжение на диодах и напряжение на всех конденсаторах, кроме С1, где оно составляет U 2 2 , равно 2 U 2 2 - удвоенному амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора. При нечетном числе каскадов по вторичной обмотке протекает ток, вызывающий вынужденное намагничивание сердечника. Регуляторы и стабилизаторы напряжения и переменного тока. Под регуляторами (стабилизаторами) переменного тока понимаются преобразовательные устройства, которые при питании от сети переменного тока обеспечивают на выходе регулируемое (стабилизированное) напряжение переменного тока той же частоты. В качестве силовых элементов, осуществляющих такое регулирование, используются магнитные усилители, регулируемые трансформаторы, тиристоры и, реже, транзисторы. Магнитные регуляторы переменного напряжения. Один из вариантов регулятора построен на основе магнитного усилителя (МУ) с внутренней обратной связью диодами VD1 и VD2, обмотками Wр: Действие регулятора основано на изменении магнитной индукции В под действием тока подмагничивания, что обуславливает изменение падения напряжения UWр на его рабочих обмотках. Пусть полупериод 0t является рабочим для магнитопровода А и управляющим для магнитопровода Б. Это означает, что полярность питающего напряжения соответствует открытому состоянию диода VD1 и закрытому состоянию диода VD2. Рабочая обмотка WрА включена последовательно с нагрузкой, а рабочая обмотка WрБ отключена от источника переменного тока. В интервале 0tВ через сопротивление нагрузки протекает малый ток холостого хода. Магнитная индукция в магнитопроводе А изменяется от своего начального значения Bнач до значения индукции насыщения ВS, когда происходит насыщение магнитопровода А. После насыщения магнитопровода А его и UWрА резко падают и практически все напряжение питания прикладывается к нагрузке. В интервале Вt ток нагрузки определяется напряжением питания и сопротивлением нагрузки: Uc=Iнrпр+UДпр+RнIн. В интервале 0tВ в обмотке управления магнитопровода А наводится ЭДС, обусловленная изменением магнитной индукции. Эта же ЭДС вызывает перемагничивание магнитопровода Б, рабочая обмотка которого при этом обесточена. Для рассматриваемого случая скорости изменения магнитной индукции в обоих сердечниках усилителя одинаковы, а индукция в МП Б в интервале 0tВ изменяется от значения +BS до значения –Bнач. После насыщения магнитопровода А значения индукции в обоих МП остаются неизменными до конца данного полупериода питающего напряжения. Следующий полупериод t2 является рабочим для МП Б и управляющим для А. Регулировочные характеристики имеют вид: При Iу = 0 сердечник находится в насыщении и Iн max = Uc/Rн. При Iу =Iу min сердечник находится в конце ? каждого полупериода на границе открывания и насыщения по цепи управления. Регулирование <Iн> и < Uн > можно осуществить за счет изменения отношения Bнач/BМ. В интервале 0IуIу min происходит регулировка Iн и Uн. Значение Iу min соответствует максимальному значению тока холостого хода МУ и минимальному значению тока нагрузки. При таком значении Iу МП насыщение достигается лишь к концу каждого полупериода Uc. Наряду со свойствами магнитного материала большое влияние на крутизну характеристики вход-выход оказывает обратное сопротивление диодов. Так, Iобр, проходящий по рабочей обмотке, способствует размагничиванию сердечника. Как , так и Iобр чувствительны к температуре. Коэффициент усиления с ростом температуры увеличивается. Преимущества: большое усиление по мощности – несколько тысяч, возможность изоляции цепей управления от сети, возможность управления несколькими сигналами, простота. Тиристорные регуляторы переменного напряжения. В качестве основного регулирующего элемента используют силовой тиристор или семистор. Наиболее часто применяются стабилизаторы с включением тиристоров в цепь вторичной обмотки силового понижающего трансформатора. При этом тиристоры одновременно выполняют функцию выпрямления переменного напряжения в постоянное и являются регулирующими элементами. Это позволяет получить выигрыш в габаритах и массе транзисторного стабилизатора. В низковольтных стабилизаторах с большими токами нагрузки целесообразно включение тиристоров на стороне первичной обмотки трансформатора (т.к. Uпр. тир.>Uпр. Д). Однако возникают проблемы с ЭДС самоиндукции. Простейшая схема тиристорного регулятора: Управление встречно-параллельно включенных тиристоров осуществляет схема управления СУ, которая открывает VD1 и VD2 со сдвигом во времени, равном половине периода питающего напряжения. Момент открывания каждого тиристора относительно начала соответствующего полупериода определяется внешним сигналом управления. Изменяя его, можно регулировать напряжение на Rн вследствие изменения длительности открытого состояния каждого из тиристоров регулятора. Закрывание тиристоров происходит под действием приложенного к ним напряжения обратной полярности после момента времени, когда ток, протекающий через открытый тиристор, уменьшается до нуля. Длительность импульса управления мала, однако тиристор будет открыт до конца полупериода при Rн.акт. При работе рассматриваемого регулятора на индуктивно – активную нагрузку ток нагрузки увеличивается медленнее и уменьшается до нулевого значения спустя некоторое время после прохождения через нулевое значение питающего напряжения. Данный регулятор требует для управления фазосдвигающее устройство с двумя электрически изолированными друг от друга выходами. Кроме того, тиристоры должны выдерживать и прямое, и обратное напряжения, равные напряжению питания. 1) Мостовая схема с тиристором в диагонали. Здесь напряжение обратной полярности к тиристору не прикладывается, его выключение происходит при Iтирист=0. 2) Мостовая схема с двумя тиристорами с объединенными катодами. При этом не требуется друг от друга цепей управления. Схема управления упрощается. 3) Способность семистора (симметричного тиристора) пропускать ток в обоих направлениях и включаться в обоих направлениях от одного управляющего электрода приводит к тому, что такой регулятор содержит наименьшее число элементов и имеет наиболее простую схему управления. Схема простейшего однофазного регулятора: К недостаткам простейших регуляторов напряжения переменного тока относятся значительные искажения формы напряжения на нагрузке, которые обусловлены принципом их действия. В процессе регулирования напряжения на нагрузке значительно изменяются его гармонические составляющие, у напряжения появляются высшие гармоники, эффективные значения которых возрастают по мере расширения пределов регулирования. Например, в интервале 0<v<0,65 при коэффициенте перекрытия фазового регулятора п=/0,65=1,5 эффективное значение третей гармоники Uэф3 гарм = 0,55Uосн, эффективное значение пятой гармоники Uэф5 гарм = 0,2Uосн. Значительно меньшее искажение формы и более высокий КПД обеспечивается в схемах регуляторов со ступенчатым регулированием: VD3 и VD4 включаются при 0<t<B, VD1 и VD2 включаются при B<t<. Транзисторные регуляторы. Транзисторные регуляторы: Регуляторы с регулирующим трансформатором: Эти регуляторы используются для питания синхронно-следящих систем, индукционных датчиков, фазочувствительных усилителей и другой аппаратуры, для которой необходимо получение синусоидального выходного напряжения с малыми нелинейными искажениями. В отличии от рассмотренных ранее, в этих регуляторах регулирование осуществляется по амплитуде. Имеются подобные схемы и для трехфазных цепей. Рассмотренные регуляторы легко преобразуются в стабилизаторы. Для этого сигнал снимается с Rн, сравнивается с опорным и через обратную связь подается на схему управления. Импульсные регуляторы постоянного напряжения Это преобразователи постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины. Для обеспечения высокого КПД при регулировании тока в цепи нагрузки используются импульсные регуляторы с ключевым режимом работы силового элемента. Принцип работы преобразователя поясняется схемой: При периодическом замыкании и размыкании ключа напряжение на нагрузке принимает вид прямоугольных импульсов, характеризующиеся скважностью:Q=T/tи. Изменяя скважность можно регулировать величину среднего и действующего значения напряжения на нагрузке: Ud=E/Q; U=E/(1/Q)1/2. Регулирование выходного напряжения возможно двумя способами: изменяют длительность включенного состояния ключа при постоянном периоде (ШИР); - при постоянной длительности импульсов изменяют длительность периода (ЧИР). В качестве ключей в таких схемах применяют транзисторы, двух операционные тиристоры и одно операционные тиристоры с узлами принудительной коммутации. Узлы принудительной коммутации. Применяются узлы параллельной и последовательной коммутации, принцип работы которых состоит в следующем: к включенному тиристору прикладывается обратное напряжение, под действием которого прекращается анодный ток тиристора и восстанавливаются его запирающие свойства. Часто источником запирающего напряжения является предварительно заряженный конденсатор. Схемы узлов коммутации: Показаны схемы, в которых реализован принцип само коммутации и взаимной коммутации. Принцип само коммутации: когда тиристор закрыт – конденсатор заряжен, при открывании тиристора происходит колебательный перезаряд конденсатора, ток перезаряда протекает навстречу анодному току и тиристор закрывается. Принцип взаимной коммутации: при открывании VS2 конденсатор заряжается током нагрузки и тиристор закрывается, открывается VS1конденсатор перезаряжается через диод и дроссель, при открывании VS2 конденсатор разряжается встречно току тиристора VS1, закрывая его. Автономные инверторы. Автономные инверторы – преобразователи постоянного напряжения в переменное, работающие на автономную нагрузку. Инверторы тока. На вход схемы включен дроссель большой индуктивности. Тиристоры работают парами: VS1, VS4 и VS2, VS3. При включении очередной пары конденсатор разряжается встречно току предыдущей пары тиристоров и тиристоры закрываются. Для стабилизации и регулирования напряжения существуют различные схемные решения, в частности применяют индуктивно-тиристорный регулятор, включаемый параллельно нагрузки. Для уменьшения коммутирующей емкости в схему инвертора вводят отсекающие диоды, которые включают между конденсатором и нагрузкой. Трехфазный мостовой инвертор тока может быть выполнен по схеме: Параллельный инвертор не работает на низкоомную нагрузку. В последовательном инверторе тока коммутирующий конденсатор включается последовательно с нагрузкой (коммутация нарушается в режимах близких к холостому ходу) В последовательно-параллельном инверторе конденсаторы включены последовательно и параллельно с нагрузкой (выходное напряжение мало зависит от параметров нагрузки). Резонансные инверторы. Тиристоры работают парами. Параметры схемы выбираются такими, чтобы заряд конденсатора происходил по колебательному закону и ток тиристоров спадал до нуля раньше момента включения следующей пары тиристоров. Схема является параллельным резонансным инвертором. Последовательный резонансный инвертор выполняется по схеме: Последовательно с активно-индуктивной нагрузкой включен конденсатор, при этом образуется колебательный контур. Для сброса накопленной в индуктивности нагрузки энергии используются обратные диоды, при этом источник питания должен обладать двухсторонней проводимостью или на вход схемы необходимо включить конденсатор большой емкости. Инверторы напряжения. Выполняются на полностью управляемых ключах. Основные схемы инверторов напряжения: Трехфазный мостовой инвертор напряжения может быть выполнен по схеме: Наибольшее распространение получили алгоритмы переключения вентилей с углом проводимости 180 и 120 эл.град. При 180 градусном режиме одновременно проводят три вентиля. При угле проводимости 120 градусов одновременно работают два вентиля. Критерий качества выходного напряжения инвертора. Качество выходного напряжения оценивается коэффициентом гармоник как отношение действующего значения высших гармоник к действующему значению основной гармоники. При прямоугольной форме выходного напряжения минимальное значение коэффициента гармоник ( 29%) получается если вентили преобразователя проводят в течение периода 133 эл.град. Значительно улучшить гармонический состав выходного напряжения, можно применяя ШИМ и АИМ, что естественно приводит к усложнению схемы преобразователя. Преобразователи частоты. Преобразуют переменный ток одной частоты в переменный ток другой частоты. Различают два вида таких преобразователей: - преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока; - преобразователи частоты с непосредственной связью, которые делятся на преобразователи с естественной коммутацией тока тиристоров и на преобразователи с искусственной коммутацией тока тиристоров, силовая часть схем таких преобразователей не отличается от схем реверсивных выпрямителей. Системы управления вентильными преобразователями. Система управления преобразовательными устройствами служит для формирования управляющих импульсов определенной формы и длительности, распределения их по фазам и изменения момента подачи на управляющие электроды вентилей преобразователя. Принцип вертикального управления. Используется в системах управления сетевыми преобразователями (выпрямители). Принцип вертикального управления реализован в системе управления, структурная схема которой показана на рисунке. Здесь приняты следующие обозначения: С- схема синхронизации (определяет моменты перехода напряжения сети через ноль); ГПН – генератор пилообразного напряжения; УС- узел сравнения (компаратор, сравнивает напряжение пилы с напряжением управления Uу, в моменты равенства напряжений формируются импульсы); РИ – распределитель импульсов; Ф1,Ф2 – формирователи импульсов. Примеры схемной реализации преобразователей с системой управления. На рисунке показана PSpice модель схемы однофазного, несимметричного мостового выпрямителя, выполненного на диодах D1, D2 и тиристорах X1, X2. Нагрузкой выпрямителя является резистор R1. Питание схемы осуществляется от источника переменного напряжения V1. Остальные элементы схемы образуют систему управления, которая состоит из схемы синхронизации ( диодный мост D3,D4,D5,D6, операционный усилитель U2A, резисторы: R4,R5.), генератора пилообразного напряжения (транзистор Q1, конденсатор С1, резисторы R6,R7,R11), компаратора ( операционный усилитель U1A, резисторы R8,R9) и формирователя импульсов ( транзистор Q2, трансформатор TX1, резисторы R10,R12,R13,R14, конденсатор C3). Резистор R21 (100Мом) служит для связи контуров модели (в реальной схеме этот резистор должен отсутствовать). Питание системы управления осуществляется от источника постоянного напряжения величиной 5В (в реальной схеме это напряжение получается из переменного после выпрямления, фильтрации и стабилизации, схема, реализующая эти функции, не показана, с целью упрощения модели). Резистор R9 является переменным. Изменяя величину этого резистора можно изменять величину угла управления тиристорами и как следствие изменять величину напряжения и тока в цепи нагрузки. На рисунке показана PSpice модель однофазного управляемого выпрямителя, выполненного по нулевой схеме. Силовая часть схемы состоит из трансформатора, имеющего четыре обмотки (L1,L3,L8,L9) и тиристоров X5,X6. Роль нагрузки выполняет резистор R4. Питается схема от источника переменного напряжения V1. Источник не является идеальным, его внутреннее сопротивление моделируется резистором R1. Остальные элементы схемы образуют систему управления. Работа системы управления синхронизируется питающей сетью с помощью обмотки L9 трансформатора, которая вместе с диодным мостом U4 образует также блок питания схемы управления. Транзисторы Q5,Q6 образуют аналог однопереходного транзистора и в данной схеме выполняют функцию порогового элемента (открываются, когда напряжение на конденсаторе С5достигнет некоторого уровня). Импульсы управления тиристорами формируются на резисторе R34, при открывании транзисторов через него разряжается конденсатор. Изменяя величину сопротивления R33 можно изменять угол управления тиристорами и величину напряжения и тока в цепи нагрузки. Резистор R27 необходим для работы модели и в реальной схеме отсутствует. На рисунке показана схема стабилизатора постоянного напряжения, реализованная на основе управляемого выпрямителя с обратной связью по напряжению. Нагрузкой выпрямителя является резистор R51. Элементы R50,С5 образуют сглаживающий фильтр. Сигнал обратной связи снимается с резистора R56, входящего в состав делителя напряжения. Операционный усилитель U8A включен по схеме повторителя (имеет большое входное сопротивление). На основе операционного усилителяU7A выполнен сумматор, суммирующий сигнал обратной связи с напряжением управления, которое формируется на резисторе R53. Операционный усилитель U5A представляет собой компаратор, сравнивающий напряжение, поступающее с сумматора с пилообразным напряжением. В момент сравнения этих напряжений формируется импульс управления тиристорами (открываются транзисторы Q9,Q10 и на управляющих электродах тиристоров формируется импульс). Длительность импульса управления задается дифференцирующей цепью (С9,R57). Формирователь пилообразного напряжения выполнен на основе транзистора Q8и конденсатора С7. Пилообразное напряжение синхронизировано питающей сетью с помощью выпрямительного моста U4 и обмотки трансформатора L9. На рисунке показана схема регулятора переменного напряжения, работающего в режиме стабилизатора тока в цепи нагрузки. Силовая часть схемы состоит из трансформатора (обмотки L1,L2,L3,L4,L5) и регулятора переменного напряжения (D1,D2,D5,D6, X1). Нагрузкой схемы является резистор R3. Резистор R20 выполняет функции шунта. Остальная часть схемы является системой управления. Система управления состоит из схемы импульсно-фазового управления и цепи обратной связи по току. В схему импульсно-фазового управления входит: обмотка трансформатора L5, выпрямительный мост U7, компаратор на операционном усилителе U8A, формирователь пилообразного напряжения, выполненный на основе интегратора (U11A, С13) и полевого транзистора J1A, компаратор U14A и формирователь импульсов управления силовым тиристором (элементы: транзистор Q8 и транзисторный оптрон U1A). Цепь обратной связи состоит из трансформатора ( на первичную обмотку которого поступает сигнал с шунта, пропорциональный току в цепи нагрузки регулятора), прецизионного выпрямителя (U12A,U13A) и сумматора U15A, который суммирует сигнал обратной связи и сигнал управления поступающий с переменного резистора R39. Выход сумматора подключен к входу компаратора U14A, на другой вход которого поступает пилообразное напряжение с выхода интегратора U11A. Пилообразное напряжение формируется за счет периодического включения транзистора J1A (транзистор закрыт – конденсатор С13 заряжается по экспоненциальному закону, в момент открывания транзистора конденсатор разряжается через маленькое сопротивление открытого транзистора). Работой транзистора управляет схема синхронизации, транзистор открывается в моменты перехода питающего напряжения через ноль. Силовой транзистор Х1 открывается в моменты равенства (работает компаратор U14A) пилообразного напряжения с сигналом, поступающим с сумматора. Изменение тока в цепи нагрузки (может быть вызвано изменением сопротивления нагрузки или изменением величины напряжения питания) будет приводить к изменению величины сигнала сумматора и естественно к изменению момента включения тиристора, что приведет к стабилизации тока в цепи нагрузки. Питается система управления от блока питания, состоящего из мостового выпрямителя (L3,L4, U10), сглаживающего фильтра (С10,С11) и стабилизатора постоянного двух полярного напряжения, что необходимо для работы прецизионного выпрямителя. Применение прецизионного выпрямителя обусловлено маленькими уровнями сигнала, поступающего с шунта.